☞仿真技术
飞机航路威胁仿真分析
张萌，邹本振，王朝
(中国电子科技集团公司 第二十九研究所，四川 成都 610036)
摘要： 作战飞机在飞行过程中，会遭遇来自空中、海面或地面的各种威胁，包括雷达对飞机本身的探测及侦察设备对机载雷达的无源侦察，极大威胁到载机的生存。提出了一种仿真分析方法，考虑飞机平台雷达散射面积的各向差异性及机载雷达天线的方向性，将探测或侦察范围中心从传统的计算方转移至作用方，形成“被探测区”或“侦察暴露区”，使指挥员能更客观地判断航路点处的威胁情况，辅助后续筹划，效果已经得到仿真验证。
关键词： 威胁分析；雷达探测；雷达侦察；仿真；被探测区；侦察暴露区；辅助筹划
0 引言
现代战争中，电子对抗贯穿始终，夺取“制电磁权”就为最终夺取“制信息权”甚至赢得战争创造有利条件。雷达能及时、准确、全面地获取各种目标信息，是信息获取和精确制导领域中最重要的装备[1]，在历次战争中发挥了重要作用[2]，因此也是对方首先打击的目标。雷达探测与目标隐身、雷达侦察与反侦察，成为作战双方博弈的重点。
近场法采用势流理论，对湿单元(Wet Element)表面积分求解二阶定常力，而远场法通过动量定理来求解二阶定常力且仅能计算纵荡、横荡和艏摇三个自由度的平均波浪力。近场法的计算依赖于计算网格数量，一般情况下近场法计算有一定差距。当近场法与远场法计算结果趋势一致且误差不大时，可近似认为水动力计算网格满足要求[8]。纵荡、横荡和艏摇方向近场法和远场法二阶定常波浪力对如图3～图5所示，图线显示近场法和远场法计算结果趋势一致且误差较小，说明模型网格划分符合计算要求。
作战飞机在飞行或突防过程中，欲尽可能不被发现，需要考虑地形、气象等非军事威胁以及地面雷达等探测类军事威胁。若飞机平台搭载雷达，还需考虑被侦察的威胁，其一可被用于无源定位，直接降低生存几率；其二雷达自身的技术参数可被截获、积累、分析，成为对方情报资源。
本文提出了一种航路威胁仿真分析方法，考虑飞机平台雷达散射面积的各向差异性及机载雷达天线的方向性，以直观的方式展现被探测、被侦察的范围，对航路的威胁判断及掩护策略制定有一定辅助作用。
1 雷达探测威胁分析
1.1 雷达方程
根据雷达方程，雷达对目标的最大探测距离为
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(1)
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1.2 仿真分析
在仿真场景中，蓝方部署一地面警戒雷达，对红方飞机进行探测。雷达发射功率P t=25 kW，主瓣增益G t= 38 dB，Δf r=4 MHz，F n=7 dB，(S N)min=13.2 dB，L =2 dB，Ns =26 dB，方位扫描范围为全向，工作频率为1.5 GHz，部署高度10 m；飞机RCS均值约为3.5 m2。
由式(1)可见，探测距离随目标RCS增大而增大。传统的雷达探测威胁仿真分析中，RCS往往取的单一估计值，探测包络是以雷达为中心的一个圆，认为飞机航路处于探测包络内时即被发现，反之安全，如图1所示。图中，飞机RCS取3.5，整段航迹中有少部分处于探测范围内，大部分安全。
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图1 传统的探测威胁范围
Fig.1 Traditional radar detection coverage
侦察对抗技术目前的研究方向可归纳为2点：隐真、示假[9]。“隐真”是通过各种手段，使对方难以接收到辐射源信号，或者即使接收到也难以进行信号分选和识别，主要方法包括专用电子干扰设备[10-11]、低截获概率[12-14]技术、信号加密、无源或双基地体制[15]。“示假”在国内仍处于起步发展阶段，主要是使用假雷达辐射源发射与真实雷达相近的信号。一类是炮制大量密集信号，使对方电子侦察设备过载;另一类是真假信号交替发射，甚至加大假信号的辐射时间，做到“真中有假，假中有真”，使电子侦察设备无法判断雷达辐射源的真实性，或产生错误的情报信息。
图2 某飞行器散射图
Fig.2 RCS of an aircraft
南开大学教授席真在作《基因农药技术》主题报告中介绍，由于防治对象的多样性、环境生物的多样性、保护对象的多样性、环境生态的多样性，基于单一分子靶标结构开展新农药创制的研究模式已然无法满足绿色农药所期待的高效性、高选择性与风险抵抗性的原则，农药发展周期进入一个全新的高通量、大数据、系统性的智能设计开发阶段。
表1 飞机各向RCS 值
Table 1 Plane′s RCS from each azimuth angle
在飞行过程中，由于飞机航向的变化，对地面雷达而言目标的RCS也随之变化，探测距离也发生改变，比如飞机处于图1的位置及姿态时，雷达探测RCS可能明显大于3.5，此时会被探测到，而非安全状态。
为了更客观地体现雷达探测威胁范围，本文在仿真分析及态势显示中将探测包络中心由雷达移至飞机，从“探测”角度转变为“被探测”。在任一航路点上，假设飞机不动，而雷达从各角度对飞机进行探测，根据式(1)得到被探测包络，如图3所示。考虑视距限制时，各方向探测距离取R max与视距的较小值。当有多部雷达时，被探测范围取并集。
图3 真实被探测范围
Fig.3 Real radar detection coverage
可见，此时雷达在被探测包络内，即飞机平台能被探测，需调整航路，与图1结论相反。相比于传统方法，本方法能更准确地展示飞机受威胁范围。
2 雷达侦察威胁分析
相比于地面侦察装备，机载侦察装备有更大的视距范围，应用更广。目前国外典型的机载侦察装备包括以色列的“使神450”和“苍鹭”、英国的“不死鸟”、美国的RC-135[5],EP-3E[6-7]、“全球鹰”[8]等，这些侦察设备能力强、侦察范围广，平时可搜集各类情报资源，战时更可与其他装备协作完成任务，在历次战争中起到非常重要的作用。
实际上，对于飞机，RCS可认为是方位角的函数，图2是某飞行器的周向散射图，可以看出其周向的RCS值有较大的差异[3]。
接收天线增益G r= 30 dB，接收机灵敏度P rmin=-75 dBW，总损耗L r=3 dB。
2.1 侦察方程
在视距条件下，雷达侦察方程为
(2)
式中：G t′为雷达天线在侦察设备方向上的增益;G r为侦察接收天线增益;P rmin为接收机灵敏度;L r为极化、馈线损耗、大气衰减等各类损耗。G r,P rmin以及极化、馈线损耗三者可统一考虑成系统灵敏度。
2.2 仿真分析
依据式(2)，估算各波段雷达(参考国外典型雷达参数)被典型侦察设备进行主、副瓣侦察时得到的侦察距离，无副瓣侦察能力的仅考虑主瓣侦察，结果如表2所示。
可见，对处于低频段的雷达(S波段及以下，主要为搜索警戒、预警雷达)而言，其主、副瓣被侦收的距离都比较远，基本可达视距。由于这些雷达大多为方位全向扫描，功率也较大，很难使其在空域上躲避侦察，开机即被发现，已暴露的可能性极大，所以预警机的航线威胁分析不在本小节方法考虑之列。
表2 侦察距离估算表
Table 2 Evaluation of reconnaissance distance
而对高频段雷达(X波段及以上，主要为火控、制导雷达)，由于发射功率较低，虽然主瓣侦察距离仍然较大，但是副瓣侦察距离明显减小，且该类雷达主瓣扫描覆盖空域有限，对方大多接收到的为雷达副瓣信号，利用该特点，在平时训练或演习时合理做好航路规划，可有效减少机载火控雷达被侦察发现的概率。
与第1小节类似，分析侦察设备对特定高度雷达的侦察范围时，传统方法一般以侦察设备为中心，计算对雷达主瓣的最大侦察距离，未考虑随飞机机动接收到雷达副瓣导致侦察距离收缩的情况。
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本文仿真时将侦察范围中心移至雷达，在此暂称为侦察暴露区(指雷达能被侦察设备发现的区域，区别于传统定义的暴露区)如图4所示，其中主瓣侦察暴露区指雷达主瓣扫描区域能被侦察的范围，其他为副瓣侦察暴露区。
图4 侦察暴露区
Fig.4 Exposure zone of reconnaissance
下面通过仿真对比2种侦察区的结果：场景中，蓝方包含一侦察机，红方包含一机载火控雷达，飞行高度均为 5 000 m。
侦察机参数如下：
雷达参数如下：
下面将从“隐真”角度出发，介绍一种威胁分析方法，以降低暴露威胁。
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发射功率P t=19 kW，主瓣增益G t=23 dB，扫描范围为±60°，平均旁瓣增益为-20 dB，工作频率为15 GHz即λ =0.02 m。
式中:Ns 为信号处理增益;P t为雷达发射功率;G t为雷达天线增益;λ 为信号波长;σ 为目标雷达截面积(radar cross section,RCS);k 为玻尔兹曼常数(1.38×10-23);T 0为环境绝对温度(290 K)；Δf r为接收机等效噪声带宽；F n为噪声系数；(S N)min为雷达的最小检测信噪比；L 为总的损耗，包括系统损耗、大气衰减、气象衰减。
一般来讲，飞机头部和尾部RCS较小，而侧向RCS较大[4]。在本场景中，红方飞机各向RCS值见表1。
按照式(2)，主瓣侦察时，
得出侦察距离约388 km；副瓣侦察时，G t′=23-20=3 dB，得出侦察距离约39 km。
传统侦察区如图5所示，在整个飞机飞行过程中，机载雷达几乎都处在侦察区内，需调整航迹。
图5 传统侦察区
Fig.5 Traditional reconnaissance range
图6 真实侦察区
Fig.6 Real reconnaissance range
而以雷达为中心，真实的侦察暴露区如图6所示：在较短时间段内，侦察机处于主瓣侦察暴露区，即雷达可被侦察到；大部分航路上侦察机实际处于雷达副瓣覆盖范围内，且不在副瓣暴露区中，不足以侦察到雷达，所以航线基本安全，可不作调整。
可见，以侦察暴露区的角度进行仿真，指挥员可以更准确、更直观地判断所规划的飞行轨迹是否合理。
3 威胁结论分析
对比1,2小节，可见机头方向被探测概率小但是被侦察可能性大，而机身两侧恰好相反，当同时面临探测威胁及侦察威胁时，情况变得不可调和。
在以下2个场景中，蓝方兵力包含：空中侦察机一架，参数同2.2节，飞行高度5 000 m；地面警戒雷达1部，参数同1.2节，部署高度10 m。红方兵力包含：飞机1架，各向RCS数据见表1，飞行高度10 000 m；机载火控雷达1部，雷达参数同2.2节。
场景1：红方飞机从侧方经过蓝方，结果见图7。因为侦察机处于红方雷达副瓣且距离较远，机载雷达未被侦察到，但载机侧向RCS较大，易被蓝方警戒雷达所探测。
场景2：红方向蓝方飞行，结果见图8。载机未被蓝方警戒雷达探测到，但侦察机处于红方雷达主瓣侦察暴露区，机载雷达会被侦察发现。
图7 红方从蓝方侧面经过
Fig.7 The Red passes by the Blue party by side
图8 红方向蓝方飞行
Fig.8 The Red flies to the Blue
在复杂的真实环境下，合理的航线规划能解决部分问题，但不可能保证绝对的安全。在科学、准确的威胁分析基础上，更需辅助以其他策略，如：处于探测威胁时，可增加远支或随队干扰飞机，对对方雷达进行压制或欺骗；处于侦察威胁时，可采取“隐真”、“示假”各种手段，如进行功率管理、控制开关机时间、严格执行日常/战时频谱管控、发射欺骗信号等；另外，还需与其他作战力量协同工作，达到信息共享，并相互掩护。该部分内容待进一步深入研究，本文不展开讨论。
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4 结束语
本文针对作战飞机可能遇到的探测威胁及侦察威胁，提出了一种航路威胁仿真分析方法，通过“效能中心转移”，能更准确展示受威胁情况，仿真结果证明了方法的有效性。威胁分析主要用于辅助指挥员进行航路合理性判断及筹划决策，以尽量减少暴露的可能性，该方法已经在真实系统中得到应用验证，展示了一定效果。当然，战场环境复杂，飞机要获得良好的隐蔽效果，还需依赖其他技术以及合理的战法应用，电子对抗博弈还将长期进行下去。
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Threat Analysis for Aircraft′s Route Based on Simulation
ZHANG Meng,ZOU Ben-zhen,WANG Chao
(The 29th Research Institute of China Electronic Technology Group Corporation,Sichuan Chengdu 610036,China)
Abstract: Operational aircraft may face various threats from air, sea surface or land, including detection of radar to aircraft and passive reconnaissance to airborne radar by detecting equipment, which greatly threats the survival of aircraft. A simulation analytical method is proposed by considering the difference of the plane′s RCS(radar cross section) from each azimuth and the antenna directivity of airborne radar, it shifts the center of detection coverage and reconnaissance range from equipment to action party, forming “detected coverage” and “exposure zone of reconnaissance”, which could help the commander judge the threat at a point of the route more objectively, and provide further assistance in later plan. This method has been proved effective by simulation.
Key words: threat analysis; radar detection; radar reconnaissance; simulation; detected coverage; exposure zone of reconnaissance; plan assistance
收稿日期： 2018-05-29；修回日期：2018-12-06
第一作者简介： 张萌(1988-)，女，湖北天门人。工程师，硕士，主要从事计算机仿真相关研究。
通信地址： 610036 四川省成都市金牛区蜀汉路347号 E-mail：zhangmeng@mei29.scgb.com
doi: 10.3969/j.issn.1009-086x.2019.04.20
中图分类号： TN974; TP391.9
文献标志码： A
文章编号： 1009-086X(2019)-04-0122-06
标签：威胁分析论文; 雷达探测论文; 雷达侦察论文; 仿真论文; 被探测区论文; 侦察暴露区论文; 辅助筹划论文; 中国电子科技集团公司第二十九研究所论文;